CN101771394A - 超晶格晶体谐振器及其作为超晶格晶体滤波器的用途 - Google Patents

超晶格晶体谐振器及其作为超晶格晶体滤波器的用途 Download PDF

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Abstract

超晶格晶体谐振器，包括介电体声学超晶格材料的基片，基片的两面镀有电极。如两面的电极均是单电极，构成单端对超晶格晶体谐振器；如一面的电极为单电极，另一面为双电极，构成双端对超晶格晶体谐振器。本发明还包括上述超晶格晶体谐振器用作为超晶格晶体滤波器的用途，包括由双端对超晶格晶体谐振器构成的单片式超晶格晶体滤波器；或者由单端对超晶格晶体谐振器通过串联及并联连接方式构成的组合式超晶格晶体滤波器；以及由单端对超晶格晶体谐振器通过串联连接之后与并联式LC谐振电路连接构成的组合式超晶格晶体滤波器。上述超晶格晶体谐振器加工方便，用作为超晶格晶体滤波器时具有高功率、低插入损耗及小尺寸等优点。

Description

超晶格晶体谐振器及其作为超晶格晶体滤波器的用途
技术领域
本发明涉及用于通信设备中的谐振器以及滤波器，尤其涉及介电体声学超晶格晶体材料的谐振器以及介电体声学超晶格晶体材料的滤波器。
背景技术
近年来，通信领域在减小如便携式电话这样的通信设备的尺寸和重量方面已经取得了显著的技术进步。为了实现这种技术进步，已经实现了对具有多种功能的组合部件的开发以及每个部件的简化和小型化。目前尤其关键的是，需要改进用于通信设备中的谐振器及滤波器的性能。
现有的声表面波谐振器具有承受功率小，频率高时加工工艺不易的问题。
现有的声表面波滤波器具有矩形系数好、插入损耗小、尺寸小的特点；但承受功率小，在有功率要求的应用时有局限性。现有的介质滤波器具有插入损耗小、承受功率大的特点，但矩形系数大、尺寸大，在有选择性要求的应用时有局限性。如果提高矩形系数，插入损耗和尺寸都会增加，必提高应用成本。
申请号为97106837.2的国家保密发明专利《具有分布电畴铁电晶体声学超晶格的高频器件》中提供了一种铁电多层膜声学超晶格晶体材料或称之为介电体声学超晶格晶体材料，其是一类压电系数周期性调制的微结构介电体，其调制周期与超声波波长可以比拟(微米或亚微米量级)。超晶格沿某一方向正负铁电畴交替排列，压电系数对应于正畴和负畴交替地改变符号。如图1、图2所示，当外加交变电场时，畴界面随之振动，并形成在铁电体中传播的弹性波，图中的箭头方向为弹性声波的传播方向。图中的带状栅格表示电畴的方向，图1、图2中镀电极的模式是不同的(图中黑色的面为镀电极的面)：图1中镀电极的面垂直于电畴的方向，图2中镀电极的面平行于电畴的方向。按照镀电极模式的不同，共有两种振动模式。图1是声传播方向垂直于电场方向的振动模式；图2是声传播方向平行于电场方向的振动模式。当弹性波波矢与超晶格调制波矢相等时产生共振增强效应，具有谐振器特性，其谐振频率只决定于超晶格的周期。
发明的内容
针对前述现有的声表面波谐振器、声表面波滤波器以及介质滤波器的缺点，申请人进行了改进研究，提供一种具有良好技术效果的超晶格晶体谐振器，以及提供该超晶格晶体谐振器作为超晶格晶体滤波器的用途，上述超晶格晶体谐振器易于加工、承受功率较大，上述超晶格晶体滤波器具有高功率、低插入损耗及小尺寸等优点。
本发明的技术方案如下：
一种超晶格晶体谐振器，有一介电体声学超晶格材料的基片，基片的两面分别镀有电极。一种实施方案是所述基片两面的电极均是单电极，所述两个单电极分别作为电输入端及电输出端。另一种实施方案是所述基片一面的电极为双电极，基片另一面的电极为单电极，所述基片一面的双电极分别作为电输入端及电输出端，所述基片另一面的单电极连接公共地端。
本发明的技术方案还在于将所述超晶格晶体谐振器作为超晶格晶体滤波器的用途。第一种实施方案是将上述后一种超晶格晶体谐振器用作为单片式超晶格晶体滤波器。第二种实施方案是包括由上述前一种超晶格晶体谐振器构成的串联支路，还有由并联式LC谐振电路构成的并联支路，所述并联支路的一端接地，另一端分别与所述串联支路的输入端、输出端以及超晶格晶体谐振器的串接端连接；所述并联式LC谐振电路由电容器支路与电感器和电容器的串联支路并联连接构成。第三种技术方案是包括由上述前一种超晶格晶体谐振器构成的串联支路，还有由上述前一种超晶格晶体谐振器构成的并联支路，所述并联支路的一端接地，另一端分别与所述串联支路的输入端、输出端以及超晶格晶体谐振器的串接端连接。第四种技术方案是包括由上述前一种超晶格晶体谐振器构成的两个串联支路，还有上述前一种超晶格晶体谐振器构成的并联支路，所述并联支路的两端分别与所述两个串联支路的输入端、输出端以及超晶格晶体谐振器的串接端连接。
本发明的有益技术效果是：
本发明的超晶格晶体谐振器，采用介电体声学超晶格晶体材料为基片，其谐振频率只决定于超晶格的本振周期，而与晶片的厚度无关，晶片的厚度可以依实际加工条件或加工水平进行选择，从而可有效解决现有技术中用一般压电晶体制作高频谐振器时面临的晶片厚度太薄等难以加工、承受功率小的问题。
本发明的超晶格晶体滤波器，兼顾声表面波滤波器和介质滤波器优点，采用介电体声学超晶格晶体材料为基片制作的滤波器，除具有一般滤波器性能外，还同时具有高功率、高选择性或矩形系数好、低插入损耗、尺寸小或成本低的优点。
附图说明
图1是声传播方向垂直于电场方向的振动模式。
图2是声传播方向平行于电场方向的振动模式。
图3是单端对超晶格晶体谐振器的剖视结构示意图。
图4是采用声传播方向垂直于电场方向振动模式的单端对超晶格晶体谐振器谐振特性图。
图5是采用声传播方向平行于电场方向振动模式的单端对超晶格晶体谐振器谐振特性图。
图6是双端对超晶格晶体谐振器的剖视结构示意图。
图7是图6的俯视图。
图8是图6所示双端对超晶格晶体谐振器的谐振特性图。
图9是单片式超晶格晶体滤波器的电极形状、位置的示意图。
图10是图9所示超晶格晶体滤波器的滤波特性图。
图11是由超晶格晶体谐振器构成的串联支路以及由LC谐振电路构成的并联支路连接构成的组合式超晶格晶体滤波器的结构示意图。
图12是图11所示超晶格晶体滤波器的滤波特性图。
图13是分别由超晶格晶体谐振器构成的串联支路以及并联支路连接构成的组合式超晶格晶体滤波器的结构示意图。
图14是图13所示超晶格晶体滤波器的外围匹配电路图。
图15是图13所示超晶格晶体滤波器的滤波特性图。
图16是平衡输入输出的组合式超晶格晶体滤波器的结构示意图。
图17是图16所示超晶格晶体滤波器的滤波特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
以下各实施例中：所述超晶格晶体谐振器的基片材料皆选用按申请号为97106837.2专利申请的技术方案所制作的介电体声学超晶格晶体材料；有关实施例中的超晶格晶体谐振器的谐振特性曲线或谐振特性参数以及超晶格晶体滤波器的滤波特性曲线或滤波特性参数按常规方法测试。
实施例1：单端对超晶格晶体谐振器
如图3所示，本实施例的超晶格晶体谐振器包括：介电体声学超晶格晶体材料的基片1，基片1的两面镀有金属电极2和金属电极3，电极2和电极3均是连续的单电极。电极2作为电输入端，电极3作为电输出端。这种结构称之为单端对超晶格晶体谐振器。其可以采用两种振动模式：如图1所示的声传播方向垂直于电场方向的振动模式；或者，如图2所示的声传播方向平行于电场方向的振动模式。
选择本振周期是7.8um的超晶格晶体材料，切割大小3.7mm×1mm×0.5mm的基片1，按图1的模式镀电极，得到谐振频率为707.66MHz，损耗1.9dB；反谐振频率为712.19MHz，损耗23.0dB，得到的单端对谐振器的谐振特性见图4，其采用图1所示振动模式。
选择本振周期是7.8um的超晶格晶体材料，切割大小4mm×0.8mm×0.5mm的基片1，按图2的模式镀电极，得到谐振频率为450MHz，损耗3.0dB；反谐振频率为468.5MHz，损耗22.0dB，得到的单端对谐振器的谐振特性见图5，其采用图2所示振动模式。
将上述单端对谐振器接在大功率射频信号发生器上，当功率调整至超过5W，并工作一段时间后，该谐振器的幅频特性出现恶化，因此得到上述单端对谐振器的最大功率容量为5W。
实施例2：双端对超晶格晶体谐振器
如图6所示，本实施例的超晶格晶体谐振器包括：介电体声学超晶格晶体材料的基片1，基片1的一面镀有已分割的呈矩形的金属电极2和金属电极2’，基片1的另一面镀有未分割的连续的单电极3。电极2作为电输入端，电极2’作为电输出端，电极3接公共地端。这种结构称之为双端对超晶格晶体谐振器。其采用如图1所示的声传播方向垂直于电场方向的振动模式。
选择本振周期是7um的超晶格晶体材料，切割大小的8mm×1mm×0.5mm基片1，按图1的模式镀电极。图7为图6的俯视图，电极3尺寸为8mm×0.5mm，电极2、电极2’均为3.9mm×0.5mm的矩形，中间间距0.2mm(见图7)，得到谐振频率为739.8MHz，损耗12.8dB的双端对谐振器，其谐振性能见图8。
将上述双端对谐振器接在大功率射频信号发生器上，当功率调整至超过5W，并工作一段时间后，该谐振器的幅频特性出现恶化，因此得到上述双端对谐振器的最大功率容量为5W。
实施例3：单片式超晶格晶体滤波器
本实施例的超晶格晶体滤波器是由一个如上述实施例2(图6)所述的双端对超晶格晶体谐振器构成的。换句话说，一个如上述实施例2(图6)所述的双端对超晶格晶体谐振器就可以实现超晶格晶体滤波器的功能。这种结构称之为单片式超晶格晶体滤波器。
选择本振周期是7um的超晶格晶体材料，切割大小8mm×3mm×0.5mm的基片1，按图1的模式镀电极。电极3尺寸为8mm×0.5mm，电极2、电极2’均为2mm×0.5mm的矩形，中间间距1mm，两端分别距离基片边界1.5mm(见图9)，得到中心频率是741.4MHz，带宽为600kHz，通带损耗7.7dB，阻带损耗19dB的单片式窄带超晶格晶体滤波器，其谐振性能见图10。
将上述单片式窄带超晶格晶体滤波器接在大功率射频信号发生器上，当功率调整至超过5W，并工作一段时间后，该滤波器的幅频特性出现恶化，因此得到上述单片式窄带超晶格晶体滤波器的最大功率容量为5W。
实施例四：组合式超晶格晶体滤波器A
如图11所示，本实施例的超晶格晶体滤波器由两个如实施例1所述的单端对超晶格晶体谐振器构成串联支路以及由两个LC并联谐振电路构成的并联支路连接构成，称之为组合式超晶格晶体滤波器。其中每个LC并联谐振电路由电容器C0支路与电感器L1和电容器C1的串联支路并联连接构成。本实施例的组合式超晶格晶体滤波器的具体结构如下：单端对超晶格晶体谐振器1和单端对超晶格晶体谐振器2串联连接，超晶格晶体谐振器1的一端作为输入端，超晶格晶体谐振器1和超晶格晶体谐振器2的串接点以及超晶格晶体谐振器2的另一端分别与两个LC谐振电路的一端连接，两个LC谐振电路的另一端均连接公共地端。
本实施例的中心频率是457MHz，带宽是12MHz。选择本振周期是7.8um的两个超晶格晶体材料基片，按图2的方式镀电极，得到谐振频率是460MHz，反谐振频率是467MHz的两个超晶格晶体谐振器，作为串联支路的谐振器。两个并联支路的LC谐振电路中，串联电容C1为2.7pF，串联电感L1为53.5nH，并联电容C0为8pF，所得两个LC谐振电路的谐振频率分别为433MHz，反谐振频率为484MHz。
在460MHz附近，串联支路超晶格晶体谐振器工作在谐振点附近，并联支路LC谐振电路工作在反谐振点附近，阻抗最小，构成滤波器的通带。在466MHz、436MHz附近，串联支路超晶格晶体谐振器工作在反谐振点附近，并联支路LC谐振电路工作在谐振点附近，阻抗最大，构成滤波器的阻带。测得所述组合式超晶格晶体滤波器的滤波性能为：通带损耗为11dB，阻带损耗29dB(见图12)。整个超晶格晶体滤波器的尺寸为21mm×12mm×6mm。
将上述组合式超晶格晶体滤波器接在大功率射频信号发生器上，当功率调整至超过5W，并工作一段时间后，该滤波器的幅频特性出现恶化，因此得到上述组合式超晶格晶体滤波器的最大功率容量为5W。
实施例五：组合式超晶格晶体滤波器B
如图13所示，本实施例的超晶格晶体滤波器完全由超晶格晶体谐振器组成，也称之为组合式超晶格晶体滤波器。其包括三个构成串联支路的超晶格晶体谐振器1、超晶格晶体谐振器2和超晶格晶体谐振器3，以及四个构成并联支路的超晶格晶体谐振器4、超晶格晶体谐振器5、超晶格晶体谐振器6和超晶格晶体谐振器7。所述七个超晶格晶体谐振器均为如上述实施例1所述的单端对超晶格晶体谐振器。本实施例的组合式超晶格晶体滤波器的具体结构如下：超晶格晶体谐振器1、超晶格晶体谐振器2和超晶格晶体谐振器3串联，超晶格晶体谐振器1的另一端作为输入端，超晶格晶体谐振器3的另一端作为输出端；超晶格晶体谐振器1～3组成的串联支路的两端及中间节点分别连接超晶格晶体谐振器4、超晶格晶体谐振器5、超晶格晶体谐振器6和超晶格晶体谐振器7，超晶格晶体谐振器4～7的另一端均连接公共地端。
本实施例的中心频率是277.8MHz，带宽是22MHz。选择本振周期是13.7um的超晶格晶体材料基片，按图2的方式镀电极，得到谐振频率是276.2MHz，反谐振频率分别是301.6MHz、302.5MHz及300.1MHz的三个超晶格晶体谐振器作为串联支路谐振器。选择周期是15.1um的超晶格晶体材料基片，按图2的方式镀电极，得到谐振频率是253.5MHz，反谐振频率分别是276.1MHz、277.7MHz、276.1MHz及277.7MHz的四个超晶格晶体谐振器作为并联支路谐振器。
在276MHz附近，串联支路的三个超晶格晶体谐振器工作在谐振点附近，并联支路的四个超晶格晶体谐振器工作在反谐振点附近，阻抗最小，构成滤波器的通带。在301MHz、253MHz附近，串联支路的三个超晶格晶体谐振器工作在反谐振点附近，并联支路的四个超晶格晶体谐振器工作在谐振点附近，阻抗最大，构成滤波器的阻带。按照图14的外围匹配电路连接：在本实施例超晶格晶体滤波器的输入端和输出端分别串联一个70nH的电感L，然后测得通带损耗5.4dB，阻带损耗30dB的滤波性能(见图15)。整个超晶格晶体滤波器尺寸为12mm×8mm×3.5mm。
将上述组合式超晶格晶体滤波器接在大功率射频信号发生器上，当功率调整至超过5W，并工作一段时间后，该滤波器的幅频特性出现恶化，因此得到上述组合式超晶格晶体滤波器的最大功率容量为5W。
实施例六：组合式超晶格晶体滤波器C
如图16所示，本实施例的超晶格晶体滤波器也完全由超晶格晶体谐振器组成，也称之为组合式超晶格晶体滤波器。本实施例包括四个构成串联支路的超晶格晶体谐振器1、超晶格晶体谐振器2、超晶格晶体谐振器6和超晶格晶体谐振器7，以及三个构成并联支路的超晶格晶体谐振器3、超晶格晶体谐振器4和超晶格晶体谐振器5。所述七个超晶格晶体谐振器均为如上述实施例1所述的单端对超晶格晶体谐振器。本实施例的组合式超晶格晶体滤波器的具体结构如下：超晶格晶体谐振器1和超晶格晶体谐振器2串联，超晶格晶体谐振器6和超晶格晶体谐振器7串联，超晶格晶体谐振器1、2组成的串联支路的两端及中间节点分别连接超晶格晶体谐振器3、超晶格晶体谐振器4和超晶格晶体谐振器5，超晶格晶体谐振器3～5的另一端分别接超晶格晶体谐振器6、7组成的串联支路的两端及中间节点，超晶格晶体谐振器3的两端作为平衡输入端，超晶格晶体谐振器5的两端作为平衡输出端，组成平衡式输入输出的组合式超晶格晶体滤波器，其结构完全对称。
本实施例的中心频率是884.375MHz，带宽是12MHz。选择本振周期是6.3um的超晶格晶体材料基片，按图2的方式镀电极，得到谐振频率是885.6MHz，反谐振频率分别是898.1MHz、898.3MHz、898.1及898.2MHz的四个超晶格晶体谐振器作为串联支路谐振器。选择周期是6.4um的超晶格晶体材料基片，按图2的方式镀电极，得到谐振频率是869MHz，反谐振频率分别是884.2MHz、884.5MHz及884.3MHz的三个超晶格晶体谐振器作为并联支路谐振器。
通过50ohm平衡输入输出测得上述组合式超晶格晶体滤波器的通带损耗为3.4dB，阻带损耗18dB的滤波性能(见图17)。整个超晶格晶体滤波器尺寸为12mm×8mm×3.5mm。
将上述组合式超晶格晶体滤波器接在大功率射频信号发生器上，当功率调整至超过5W，并工作一段时间后，该滤波器的幅频特性出现恶化，因此得到上述组合式超晶格晶体滤波器的最大功率容量为5W。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下，可以做出其他改进和变化。

Claims (9)

1.一种超晶格晶体谐振器，其特征在于：有一介电体声学超晶格材料的基片，基片的两面分别镀有电极。
2.如权利要求1所述超晶格晶体谐振器，其特征在于：所述基片两面的电极均是单电极，所述两个单电极分别作为电输入端及电输出端。
3.如权利要求1所述超晶格晶体谐振器，其特征在于：所述基片一面的电极为双电极，基片另一面的电极为单电极；所述基片一面的双电极分别作为电输入端及电输出端，所述基片另一面的单电极连接公共地端。
4.如权利要求1所述超晶格晶体谐振器的用途，其特征在于：用作为超晶格晶体滤波器。
5.如权利要求4所述超晶格晶体谐振器的用途，其特征在于：如权利要求3所述的超晶格晶体谐振器用作为单片式超晶格晶体滤波器。
6.如权利要求4所述超晶格晶体谐振器用作为超晶格晶体滤波器的用途，其特征在于：包括由如权利要求2所述的超晶格晶体谐振器构成的串联支路，还有由并联式LC谐振电路构成的并联支路，所述并联支路的一端接地，另一端分别与所述串联支路的输入端、输出端以及超晶格晶体谐振器的串接端连接。
7.如权利要求6所述超晶格晶体谐振器用作为超晶格晶体滤波器的用途，其特征在于：所述并联式LC谐振电路由电容器支路与电感器和电容器的串联支路并联连接构成。
8.如权利要求4所述超晶格晶体谐振器用作为超晶格晶体滤波器的用途，其特征在于：包括由如权利要求2所述的超晶格晶体谐振器构成的串联支路，还有由权利要求2所述的超晶格晶体谐振器构成的并联支路，所述并联支路的一端接地，另一端分别与所述串联支路的输入端、输出端以及超晶格晶体谐振器的串接端连接。
9.如权利要求4所述超晶格晶体谐振器用作为平衡输入输出超晶格晶体滤波器的用途，其特征在于：包括由权利要求2所述的超晶格晶体谐振器构成的两个串联支路，还有由权利要求2所述的超晶格晶体谐振器构成的并联支路，所述并联支路的两端分别与所述两个串联支路的输入端、输出端以及超晶格晶体谐振器的串接端连接。
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